荷兰代尔夫特理工大学研究人员公布了首个对马约拉纳费米子的非拓扑学版本，即“低配版的”马约拉纳（“poor man’s” Majorana）的测量结果。他们通过调节人工基塔夫链（Kitaev chain）这种系统，使得系统的传输特性满足一定的理论预测，包括成对的关联性、零电荷以及对局部扰动的稳定性，从而预测出一对低配版马约拉纳态的出现。这项工作有望被用来探索非阿贝尔任意子物理学，为马约拉纳领域注入新的活力。该成果于2月15日发表在《自然》杂志上。
马约拉纳费米子是可能彻底改变量子计算的奇异量子态，但寻找它的工作一直很困难。它是一种假想的集体电子状态，是自己的反粒子，其拓扑保护来自于该状态的高度局域化性质。这意味着，如果两个马约拉纳的位置被调换，它们的态不会发生相互作用，从而使得它们保留各自的原始编码。这一特性使得这些态很适合作为量子比特，因为这样可以对量子比特进行操作，并且还不会有噪声去降低或改变它们所包含的信息，有望彻底改变量子计算。2018年，马约拉纳费米子有一个“表亲”的证据被发现，即所谓“低配版”马约拉纳。它也是自己的反粒子，但它缺乏马约拉纳的拓扑学保护，所以低配版的马约拉纳费米子的内容会相互混合，粒子之间也会交换信息。这种差异意味着低配版的马约拉纳只在非常小的参数范围内稳定。
代尔夫特理工大学研究人员及合作者在一个量子点装置中实现了低配版的马约拉纳费米子。在该装置上，两个量子点是通过一条涂有超导膜的半导体线连接，这是基塔夫链的最短实现方式。量子点多于5个时，基塔夫链便能承载拓扑马约拉纳态。最小基塔夫链中的电子在量子点之间的移动是通过两种过程之一进行的：正常隧穿或安德烈夫隧穿。当这两个过程的隧穿率相匹配时，就会出现马约拉纳态。研究人员想出了一个巧妙的方法来调整两个量子点之间的隧穿比例。他们通过调整装置中每个元件的电压，可将装置从一个正常隧穿占主导地位的范畴切换到一个安德烈夫反射占主导地位的范畴，再到两个过程具有同等速率的状态。在该实验中，他们检测到了所有这些范畴的信号，以及两个低配版马约拉纳态所预示的信号。该实验是第一个低配版马约拉纳费米子的演示，是马约拉纳费米子研究中的一个重要突破，而这个新平台将为马约拉纳物理学的研究开辟一个新的领域。
然而，该演示还存在一定的缺陷。对于被实现的两个低配版马约拉纳费米子而言，它们的波函数似乎略有重叠，这意味着它们并没有完全限制在各自的量子点上。“这些态是不完美的，”论文第一作者Dvir说。当然，目前还不清楚这种缺陷对于基于低配版马约拉纳的量子比特是否重要，研究人员正在与理论合作者开展进一步的研究。预测量子点系统能承载低配版马约拉纳的理论家之一Karsten Flensberg希望研究人员也能研究这种系统的其他量子比特特性。他表示：“尚不清楚拓扑保护的马约拉纳是否更适合（量子计算）。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05585-1#author-information
报道链接：
https://physics.aps.org/articles/v16/24
图1 研究人员在一个由两个量子点（圆形）通过超导-半导体线（方形）连接而成的系统中实现了一个“低配版”马约拉纳态。
图2 研究人员用量子点系统所演示的三个范畴：（左）正常隧穿占主导地位；（中）安德烈夫隧穿占主导地位；（右）正常和安德烈夫隧穿速率相等，“低配版”马约拉纳态出现。